基于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的坐立結(jié)合椅設(shè)計

李嘉輝 徐啟榮 周杰宇 李錦城 詹國祥 陳楠楷

（北京理工大學(xué) 珠海學(xué)院機(jī)械與車輛學(xué)院，廣東 珠海 519088）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，高等院校的教學(xué)設(shè)備也在不斷地完善。然而，對于機(jī)械專業(yè)的學(xué)生來說，工程制圖無疑是一件令人身心疲憊的事情。畢竟在繪圖時不僅需要十分專注同時還得長時間站立，故為了減輕學(xué)生在制圖過程中的勞累，從而增強(qiáng)學(xué)生對制圖的興趣，激發(fā)學(xué)生對機(jī)械課程的熱情，設(shè)計出能夠滿足坐立結(jié)合的制圖椅，對全日制本科日的常教學(xué)有著相當(dāng)?shù)闹匾浴?/p>

1 坐立結(jié)合椅的設(shè)想

1.1 坐立結(jié)合椅的市場需求

除了上述所說的制圖室之外，坐立結(jié)合椅還具有更為廣闊的市場。鑒于市面上提供的辦公椅，大多數(shù)是為了保證靠背的舒適度而采取凳面向后傾斜，然而像制圖、繪畫、發(fā)廊、前臺服務(wù)、個人工作室等需要在站與坐之間頻繁切換動作的工作環(huán)境里，一張凳面可向前傾斜的坐立結(jié)合椅定能讓人倍感舒適。

1.2 坐立結(jié)合椅的功能設(shè)想

要對一件產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計，首先應(yīng)該做的就是明確設(shè)計目的。說白了就是將該產(chǎn)品必須滿足功能一一羅列出來，然后為了實現(xiàn)這些所謂的功能要求再做進(jìn)一步的思考。

對于假想中的坐立結(jié)合椅，為了適合不同類別人群的使用，并且考慮到人機(jī)結(jié)合的實用性，故要求所設(shè)計的椅子不僅需要滿足實際使用要求，而且還要結(jié)合人機(jī)工程學(xué)[1]來滿足更多的使用人群。最終對坐立結(jié)合椅總結(jié)出如下幾點要求：（1）能夠輕松實現(xiàn)升降功能，高度范圍620～700mm；（2）可以將凳面向前傾斜，板面傾斜角度范圍0～40°；（3）升降跟傾斜功能通過兩個完全不同的動作來實現(xiàn)最佳。

1.3 坐立結(jié)合椅的設(shè)計

為了實現(xiàn)上述三個功能要求，下面來具體分析：

（1）實現(xiàn)升高降采用市面上廣泛運用的氣壓桿，至于高度，用特定長度的支撐架足以滿足相應(yīng)的要求。

（2）要滿足凳面傾斜，必須要解決的問題是傳動機(jī)構(gòu)與動力來源，由于在設(shè)計領(lǐng)域中的平面四桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用極為廣泛，為此，可以采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)。

（3）坐立結(jié)合椅采取雙氣壓桿，分別對凳面上升和凳面傾斜提供自鎖力。為了讓使用者更容易操作椅子的升降與凳面的傾斜，故對升降氣壓桿采取腳踏的形式讓針閥上頂，而對傾斜角度氣壓桿則采用省力杠桿的手拉形式讓針閥下壓。這樣便滿足用戶習(xí)慣去操作椅子而對升降與傾斜。

2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的原理與運用

運用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)凳面傾斜功能時，必須考慮到傳動機(jī)構(gòu)與動力來源這兩方面的因素，故下面通過兩個實例應(yīng)用來說明其工作原理，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步作創(chuàng)新性運用。

2.1 公交車氣動門的實例分析

圖1 氣動門的運動工作狀態(tài)

通過UG 三維模型[2]對公交車氣動門做進(jìn)一步剖析，如圖1 所示，從而得出其運動機(jī)構(gòu)簡圖，如圖2 所示。

圖2 氣動門的機(jī)構(gòu)簡圖

如圖2(b)所示，該氣動門傳動裝置實屬曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。車廂底部通過氣壓傳動裝置使曲柄1 發(fā)生轉(zhuǎn)動，然后由連桿2 使得滑塊3 沿著導(dǎo)軌進(jìn)行平移。

值得注意的一點是：由于滑塊3 與機(jī)架4 是以移動副的形式相連接，因而限制了連桿2（車門）的位置運動，最終不僅滿足了公交車車門運動的要求，而且使得車廂內(nèi)相對有限的位置空間得到了充分利用。

運用此工作原理，將櫈面假想作車門，并模仿車門的運動情況來達(dá)到凳面傾斜的功能。

2.2 內(nèi)燃機(jī)活塞桿的實例分析

單活塞式內(nèi)燃機(jī)的工作原理[2]是通過曲軸的旋轉(zhuǎn)，用連桿給予活塞動力，使得活塞往復(fù)運動，最終把熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。

從基于Pro/E 的發(fā)動機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運動仿真分析[3]可知，實現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)往復(fù)工作的正是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。如圖3 所示。

圖3 內(nèi)燃機(jī)活塞桿的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[4]

在進(jìn)氣沖程時，作為主動件的活塞向下運動，燃油和空氣的混和物進(jìn)入汽缸。

在壓縮沖程時，切換曲軸為主動件，通過連桿活塞向上運動，燃油和空氣的混和氣體被壓縮，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。在做功沖程時，活塞再次成為主動件下行，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在排氣沖程時，活塞向上運動將燃燒后的廢氣排出，當(dāng)活塞運動至最頂部時，排氣閥關(guān)閉。

同理，將曲軸作為凳面，模仿單活塞桿內(nèi)燃機(jī)的工作模式（即四沖程），間歇地切換曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的主動件，從而實現(xiàn)曲軸不停的機(jī)械運動。

2.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新運用

經(jīng)討論過的兩個實例運用進(jìn)行仔細(xì)比較，不難發(fā)現(xiàn)兩例實例有一個共同點：曲柄在一定的條件下充當(dāng)主動件，借助連桿把動力傳到滑塊上，而滑塊由始至終做的都是直線往復(fù)運動，這就是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的實際應(yīng)用。

圖4 凳面曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

因此，我們可以利用這點，做出一個假想：將凳面的傾斜看作是一個轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動，通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將水平方向上凳面的轉(zhuǎn)動巧妙地轉(zhuǎn)化為豎直方向上的移動，如圖5 所示。

當(dāng)人坐上凳板的時候，借助人體的重力給曲柄滑塊機(jī)構(gòu)提供動力來源，通過連桿2 的傳動，帶動滑塊3 沿凳面支撐桿作豎直方向上的移動，從而實現(xiàn)凳面向下傾斜的功能。

若想將凳面復(fù)位，則必須在滑塊3 下方添置一根氣壓桿，通過手拉省力杠桿將氣桿里的針閥頂入，氣桿便能提供動力讓滑塊3 向上移動(前提是要保證閥內(nèi)氣體壓力大于使用者本身的重力)，即使得滑塊3 成為主動件，通過連桿2 傳動將曲柄1(凳面)恢復(fù)水平位置。

通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與氣壓桿的巧妙結(jié)合，在調(diào)節(jié)凳面傾斜度的過程中間歇地切換曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的主動件，實現(xiàn)凳面的無障礙自由傾斜功能，同時實現(xiàn)了“無極鎖”的功能，滿足人機(jī)工程學(xué)的理論要求。如此一來，凳面傾斜的功能得以實現(xiàn)。

3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的仿真與校驗

鑒于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的MATLAB 仿真[5]，通過分析給定桿長的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運動情況，并參照基于SimMechanics 的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運動分析[6]，結(jié)合該坐立結(jié)合椅的實際情況在MATLAB SimMechanics 中進(jìn)行機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真，如圖5 所示。

圖5 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的仿真模型

根據(jù)上述模型的建立，其動態(tài)仿真結(jié)果如圖6 圖7 所示。

圖6 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的仿真運動

圖7 曲柄轉(zhuǎn)過的角度隨時間變化曲線

從仿真結(jié)果可見，對于曲柄長度為62mm，連桿長度為98mm 的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，通過傳感器測出，當(dāng)曲柄在重力的作用下轉(zhuǎn)過42°時，滑塊的最大位移量是60mm，而所選氣桿的行程足以提供滑塊60mm 的位移，此外，該位移量對于凳子支撐桿的總高度來說，相對較短，即可實現(xiàn)在滑塊3 盡可能小的位移內(nèi)使得曲柄1 得到較大幅度的轉(zhuǎn)動，這樣使用起來會更加靈活方便。故經(jīng)過分析可知，用該曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實現(xiàn)凳面傾斜從原理上基本滿足設(shè)想的功能與要求。

4 坐立結(jié)合椅的三維建模與實物

4.1 坐立結(jié)合椅的三維建模

圖8 凳面曲柄滑塊機(jī)構(gòu)三維圖

對坐立結(jié)合椅在UG8.0 中進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行運動仿真，建模結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

4.2 坐立結(jié)合椅的加工實物圖

對三維建模后的坐立結(jié)合椅進(jìn)行渲染，并用AutoCAD 繪制零件與裝配的工程圖，對各部分零件進(jìn)行加工，在團(tuán)隊協(xié)作下，歷時兩個多月，該作品的得以完成，如圖9 所示。經(jīng)過對實物成品作試驗，證實了該設(shè)想的可行性，在實際中檢驗了理論知識。

5 結(jié)束語

經(jīng)過本次對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新應(yīng)用，從理論到實際上，切實地驗證了一種新型坐立結(jié)合椅的可行性，從客觀上也能看出其必要性和重要性。除此之外，當(dāng)中的推廣價值也尤其可觀，出于解決學(xué)生制圖舒適度而設(shè)計的坐立結(jié)合椅，不僅適用于日常教學(xué)的機(jī)械制圖室里，還能用在以站立姿態(tài)進(jìn)行作業(yè)的場合以及各種休閑活動集于一體的娛樂場所中。故該作品有著較強(qiáng)的實用性與推廣性。

圖9 坐立結(jié)合椅實物圖

［1］呂杰鋒，陳建新，徐進(jìn)波.人機(jī)工程學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009，7：19-27.

［2］陳彪，吳凡.基于Pro/E 的公交車門運動仿真[M].湖北第二師范學(xué)院學(xué)報，2013，30(8)：73-74.

［3］黃經(jīng)元，王淑芳，賈穎蓮.基于Pro/E 的發(fā)動機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運動仿真分析[J].制造業(yè)自動化，2010，32(6)：163-165.

［4］汽車信息交流維修參考資[OL].http：//blog.sina.com.cn/u/2027239423.

［5］陳德為.曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 的MATLAB 仿真[J].太原科技大學(xué)學(xué)報，2005，26(3)：172-175.

［6］徐梓斌，閔劍青.基于SimMechanics 的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運動分析[J].太原科技大學(xué)學(xué)報，2005，26(3)：172-175.